基于区块链的汽车分布式框架

智慧城市中汽车行业基于区块链的分布式框架

摘要

汽车行业中的数字化和先进技术的大规模采用不仅改变了设备制造商的运营模式，也改变了当前商业模式。自动驾驶汽车的日益普及预计将对政府法规、制造、保险和维修服务产生重大影响。此外，为智慧城市的共享、互联和自动驾驶汽车提供集成化、个性化和按需服务，有助于构建可持续生态系统。为解决本文中的这些问题，我们提出了一种面向智慧城市的汽车行业基于区块链的分布式框架。所提出的框架包括一种用于基于区块链的分布式网络架构的新型矿工节点选择算法。

相关服务：泰国服务器

为了评估所提出框架的可行性，我们在私有以太坊区块链平台上使用从litecoinpool.org采集的已挖区块数据集对所提出的模型进行了仿真。仿真结果展示了所提出模型的概念验证，该模型可用于广泛的未来智能应用。

索引术语 —智慧城市, 区块链, 汽车行业, 供应链管理

I. 引言

在当今世界，汽车行业对个性化、集成化和按需服务的需求日益增长，包括共享、联网和自动驾驶环境，例如智能停车系统、电子医疗等。汽车行业与新技术密切相关。事实上，自动驾驶汽车是汽车行业最受期待且最具标志性的革命。最近的一项研究预测，到2020[1]年，全球道路上将有约2.5亿辆联网汽车，每辆车均配备超过200个传感器以收集信息。自动驾驶汽车在汽车行业中的广泛应用预计将对政府法规、制造、保险、维修服务等领域产生颠覆性影响。在汽车工业当前商业模式下，将创新技术整合到汽车中是一个耗时的过程，涉及投资、开发和验证等多个环节。

被认为是参与者最为广泛的先进领域之一，涵盖政府监管机构、制造商、供应商、销售商以及零部件供应商，汽车供应链已成为一个复杂且覆盖面广的生态系统。然而，汽车行业供应链面临的最大问题之一是产品造假，目前估计假冒零部件的价值已达数十亿美元。假冒零部件通常质量低劣，它们通过直接进入供应链或经由在线渠道流入市场，对原厂设备制造商和零部件供应商造成影响。这会导致客户不满，并损害品牌信任度。此外，

共享经济对汽车行业而言已不再陌生。在智慧城市的汽车行业中，有效规划生产能力、追踪供应链中的各个零部件以及获取准确的实时信息，对于构建可持续框架至关重要。

近年来，区块链技术成为一场革命，吸引了众多股东的关注，他们认识到这项颠覆性技术所带来的优势，该技术正在影响金融行业以及其他领域[2‐4]。区块链技术的一些最常见应用包括在资产转移、数字应用以及使用智能合约创建的分布式信息记录中的应用，被认为是编程商业与运营逻辑的理想方式。它对工业的所有领域都产生了影响，汽车行业也受到这场革命的影响也就不足为奇了。在当前的商业环境中，许多中介机构如银行、公证人、行政机构、协会等是必需的，而这些中介机构通过该技术可能变得冗余。因此，这直接转化为在时间和金钱上的显著节约，并为组织构建可持续商业模式提供了平台。汽车行业与区块链技术的融合为一些最紧迫的汽车问题提供了有趣的解决方案，特别是与车联网产业相关的问题。该技术的力量可以推动整个汽车生态系统的创新和解决方案。基于上述事实，本文提出了一种面向智慧城市的汽车行业的基于区块链的分布式框架模型，以构建一个可持续的汽车生态系统平台。本文的主要研究贡献总结如下：

• 我们提出了一种利用区块链技术的汽车行业分布式框架模型。
• 然后设计了一种在基于区块链的分布式网络架构中选择矿工节点的算法。
• 在私有以太坊区块链平台上进行了仿真，并基于从litecoinpool.org采集的已挖区块数据集，利用实时数据统计对所提出的框架进行了检验。实验结果表明了所提出模型的有效性。
• 我们还讨论了为构建可持续的汽车生态系统所需开展的不同研究方向。

本文其余部分的结构如下：第二节讨论了汽车行业基于区块链框架的关键要求及相关研究工作；第三节描述了所提出的汽车行业框架模型架构；第四节展示了实验分析并探讨了未来研究方向；第五节给出了本研究的结论。

II. 预备知识

A. 汽车行业关键要求

在数字世界时代，汽车行业正在向数字化转型，这正在改变整个商业模式。最近，许多汽车工业和利益相关者已在自动驾驶汽车、网络安全和联网汽车中应用区块链技术，以实现可扩展性、可审计性和实时监控。制造业、供应链物流、零售和租赁是汽车行业的一些关键功能领域，可通过区块链技术加以利用。本文讨论智慧城市的汽车行业中基于区块链的框架的关键要求。

1) 供应链管理 ：我们可以将区块链技术应用于汽车行业从政府监管、制造到维护和回收阶段的供应链各个阶段。例如，在发生汽车零部件故障或事故的情况下，基于区块链的框架可以提供唯一标识，帮助我们确定根本原因以及应由谁承担成本等。

2) 无与伦比的安全性 ：随着越来越多的自动驾驶汽车，解决联网汽车数据安全的挑战已成为一项必要任务。通过继承区块链技术所提供的安全的数据共享和存储方式，我们可以在汽车行业中提供不同级别的安全性。

3) 证据完整性与安全存储 ：该框架必须确保先前提交的证据保持不变，即使有人试图修改历史数据以在发生任何事件时逃避责任。

4) 出行解决方案 ：该框架应提供一个平台，以支持在自主系统中实现数据、资源共享以及拼车服务。

5) 记录审计能力 ：基于区块链的汽车框架由于区块中信息的不可变性，能够进行记录审计。

6) 自动化维护服务 ：基于区块链的汽车框架可用于自动支付、保险理赔以及提供维修服务，同时还可提供一个促进车辆追踪的平台。

7) 透明度 ：由于区块链的去中心化特性以及不存在单一方的集中控制，所有授权方均可访问相同的不可变信息。

8) 执行速度与成本降低 ：由于区块链的分布式特性，大量计算资源可同时处理每笔交易，相较于传统集中式网络中每笔交易必须依次等待处理的情况，显著提升了执行速度。同时，由于无需由单一实体承担昂贵的备份服务器和远程存储费用，也带来了成本的降低。

B. 相关工作

布罗米歇等人[5]提出了一种利用联盟区块链实现车辆生命周期自动化的框架。他们强调了实施的初始阶段以及未来需要解决的挑战。苏普拉尼等人[6]开展了一项研究，说明区块链技术有助于改进泰国汽车行业的供应链流程。丹尼尔等人[7]的研究提出了汽车行业组织间知识交换所面临的挑战及相应框架。皮涅罗等人[8]提出了一种基于区块链的多智能体系统方法在工业中的决策过程模型。另一方面，辛格等人[9]提出了一种基于奖励机制的智能车辆数据共享框架的抽象构想，用于基于区块链的智能车辆通信。他们还提出了一种加密IV‐TP智能车辆通信方案以提升隐私[10]。根据奥尔特加等人[11]的研究，以内容为中心的网络与区块链相结合可在处理汽车行业任务方面发挥有效作用。为了确保能源补给的执行，佩德罗萨等人[12]提出了一种针对自动驾驶汽车加油用例场景的区块链算法。

在我们先前的研究工作中，我们提出了一种基于区块链的智慧城市车载网络架构[13]。杜亚克等人[14]提出了在物流与供应网络中应用区块链技术的概念。他们指出，通过区块链可以解决诸如安全可信的物流系统、信任问题控制以及在供应网络中交换供应链信息等挑战。蒙德拉贡等人[15]研究了区块链技术在供应链中的适用性，特别是在结构制造领域。区块链技术通过提供制造、来源、运输和存储不可侵犯的历史记录，已被证明是有效的。此外，霍夫曼等人[16]的研究揭示了当前及未来物流前景在去中心化、自我调节和效率方面的机遇。我们讨论了用例场景和设计原则，以满足构建智慧城市可持续网络的需求。我们还提出了多种适用于可持续物联网和智慧城市网络的基于区块链的分布式架构[17‐20]。据我们所知，大多数研究人员仅关注汽车行业生命周期中的特定阶段。有必要设计一个完整的框架，为智慧城市中的汽车行业提供按需定制的服务，以满足上述所有关键需求。

III. 所提出的框架模型

本研究主要关注未来数字化智慧城市中的数字化转型、移动性以及汽车消费者。未来的汽车市场需要更多按需、个性化和集成化的服务，这与当前拥有共享、自主和联网汽车的汽车市场有所不同。数字化时代不仅可以改变制造过程中的汽车行业，还能转变当前商业模式。在未来的智慧城市中，车辆将需要以新的方式与环境互动，并实现集成化服务和交易的交付。随着按需服务和电动出行服务的增长，消费者行为正在发生变化；消费者越来越愿意共享数据，并利用技术提升自身体验。通过透明、共享且经过验证的交易过程，区块链有望在推动转型中发挥更大作用。

作为一种竞争需求，数字化被广泛考虑。近年来，物联网的增长呈爆炸式发展；它继续在价值和适应性方面以快速步伐持续增长，推动了智慧生态系统的形成。在智慧城市汽车行业中，供应链生命周期中的可信供应商经过精心选择、管理、审计和认证，以提供可靠、一致的高质量服务。在本研究中，我们提出区块链结构模型如何支持从原材料来源和制造到维护及回收阶段的供应链生命周期中安全数字产品记忆记录的开发。

图1展示了在智慧城市的基于分布式区块链的可扩展网络中，汽车行业框架模型的完整生命周期。在所提出的框架模型中，整个生命周期被划分为七个阶段。在此，我们利用了之前工作[17][18]中基于区块链的分布式网络架构的优势。在之前的研究中，我们提出了一种基于分布式区块链的网络架构，旨在物联网网络中提供安全的按需访问以及低成本且具有竞争力的计算基础设施。该架构通过将计算资源部署在物联网网络边缘，实现高性能、高性价比的计算，并为大量数据提供安全、低延迟的访问。此后，我们继承了先前工作[17][18]中的基于区块链的分布式网络架构，因此不再详细描述该网络架构。

在第一阶段，所提出的框架模型中的监管机构负责根据政府法规创建新车注册信息，并将其加载到网络中的共享账本上。智能合约确保只有监管机构才有权执行此操作。在第二阶段，制造商收到由监管机构签发的经认证的创建所有权，这被称为制造商与监管机构之间的共识。在获得所有权后，制造商通过智能合约在网络中向所有具备适当权限的相关方开放车辆型号、身份证明和模板信息。在第三和第四阶段，车辆通过供应链中的智能合约执行，转移给经销商和租赁公司。在车辆转移至租赁公司后，汽车最终交付给用户。

随后进入供应链生命周期中的第五、第六和第七阶段，即维护阶段和回收阶段。在维护阶段，所提出的框架模型为智能交通系统提供自动化支付流程、保险和维护服务以及动态实时数据，并提供个性化、按需和自动化的服务以满足用户需求。在回收阶段，报废商可通过执行智能合约对使用寿命结束的车辆进行报废处理。同步过程贯穿汽车供应链的最终用户、维护方和报废商。下一小节将详细描述所提出的框架模型的方法论方法。

B. 所提出的框架模型的方法论方法

图2说明了为智慧城市汽车行业提出的基于区块链的分布式框架模型的逐步方法论方法。在供应链生命周期的第一阶段，政府监管机构根据政府法规和政策为新车创建注册，并创建新区块。通过智能合约，我们执行区块并确保其满足智能合约条款和条件，从而发起新区块的交易。

一旦交易得到验证，共识形成并将所有权转移给汽车制造商，相关信息发布在基于区块链的分布式网络中。在将所有权转移给汽车制造商后，制造商开始制造车辆型号、标识和模型，并创建新区块，执行智能合约。如果新创建的区块满足允许的监管智能合约，则发起新区块的交易，并由网络中的矿工节点进行验证。在此过程中，交易还会由监管机构进行核实和验证。

一旦交易通过验证，制造商便会在网络中发布具有更新可见性和适当权限的车辆模板，供所有相关方访问。在将更新后的模板发布到网络后，经销商可以从网络获取库存可用性信息，并执行其智能合约，以发起新区块的交易并将车辆转移至经销商。在此阶段，制造商和监管方参与验证过程。最终，经销商在网络中发布车辆模板，使拥有适当权限的成员均可查看。在此阶段，经销商还可以发放忠诚度积分，这些积分可在网络中作为货币使用和兑换。经销商可使用客户兑换的忠诚度积分以折扣价格完成零部件采购。一旦忠诚度积分被兑换，经销商账户将被更新，网络中的参与者可在具备适当权限的情况下查看。

租赁公司从网络获取更新后的车辆模板，将车辆从经销商处转移，创建新区块，并在所生成的区块满足智能合约时发起新的交易。一旦该交易经过监管机构、制造商和经销商的验证与确认，便将车辆转移给最终用户，并发布车辆的所有权、权利及权限信息。

所提出的框架模型以安全的方式将车辆租赁给客户过程中涉及的各方连接起来，在租赁车辆之前执行了解客户（KYC）检查，例如信用检查、身份证明和驾照验证，并将租赁合同存储在区块链网络中。在第5和第6阶段，为用户提供多种个性化、按需和实时服务，例如保险合同、定期维护合同和自动燃油支付合同。在此阶段，所提出的模型允许保险公司根据实际驾驶行为创建定制化车辆保险合同，并在发生理赔后自动处理保险付款和财务结算。车主的驾驶行为和安全事件，例如里程、速度、损坏部件和碰撞，可被存储在区块链网络中，共享并用于计算保险费和付款。由于记录与车主相关联，车辆车主的历史记录将可供保险公司用于未来保险报价。对于按需移动性、燃料支付和共享出行服务，我们提出的基于区块链的框架模型会记录并执行协议和金融交易，使车主能够将行程变现，在加油服务站完成支付，并以无缝、安全且可靠的方式交换数据。

在生命周期结束时，报废商可访问车辆状态信息、监管规则和政策，执行智能合约，检查新创建的区块是否满足智能合约条件，然后发起新区块的交易，并经过验证过程进行确认。在验证过程中，供应链中的所有相关方都将参与其中。一旦交易得到验证，车辆将被转移至报废商，并获得适当权限以在生命周期结束时处理该车辆，同时在网络中做出相应的更新。在下一小节中，我们将讨论分布式基于区块链的网络架构中的矿工节点选择算法。

C. 矿工节点选择算法

为了避免由单一矿池进行区块生成时受限于矿工而导致的挖矿过程问题，我们提出了一种高效的矿工节点选择算法。在所提出的矿工节点选择算法中，我们使用果蝇优化算法（FOA）来选择在区块生成期间执行挖矿过程的最佳矿工节点列表。FOA是一种基于果蝇觅食行为的自然启发式进化算法。该术语由潘文操[21]提出。与其他蝇类相比，果蝇利用其嗅觉和视觉能够更有效地寻找食物。

表1. 矿工节点选择算法符号说明

在我们提出的算法中，将果蝇视为矿工节点，将食物视为交易发起节点，以创建新区块。图3展示了在挖矿过程中创建新区块时，果蝇/矿工节点的食物/节点发现行为。

算法1：矿工节点选择算法

输入 ：
N ← Is the list of total miner nodes in the network
M ← 是新添加的矿工节点列表（或未参与挖矿）长时间运行的过程
K ← 是活跃矿工列表
MaxGen ← Maximum generation
gen ← 0
index ← 0
FruitFlyList ← NULL
FruitFlySmell ← NULL
IsActive ← NULL
BestSmell ← NULL

输出 用于发送交易请求的选定矿工列表

I. 引言
对每个K中的活跃矿工节点
计算 SDi, LTi, TLi；
计算 Weight i ← SDi + 1/LTi + 1/TLi；
计算 Disti ← Weight i；
计算 Si ← 1/Disti；
计算 Smelli ← Function(Si)；
FruitFlyList[index] ← Add(Ki)；
FruitFlySmell[index] ← Add(Smelli)；
IsActive[index++] ← True;
结束循环

对于每个M矿工节点
FruitFlyList[index] ← Add(Mi);
FruitFlySmell[index] ← NULL;
IsActive[index++] ← False;
结束循环

当 (True)
index ← 0;
BestSmell ← FindBestSmellConcentration(FruitFlyList, FruitFlySmell)；
对于每个寻找食物源的N个矿工节点
如果 (IsActive[index])
设置 Weight i ← BestSmell + RandomValue；
计算 Disti ← Weight i；
计算 Si ← 1/Disti；
计算 Smell i ← Function(Si)；
FruitFlySmell[index] ← Update(Si)
结束 If
index++;
结束循环
gen++;
如果(gen > MaxGen)
FruitFlyList ← SortIncreasingOrderSmell((FruitFlyList, FruitFlySmell))
返回 Select Top L Miner Nodes with High Concentration Smell
结束如果
结束循环
End

我们从莱特币的按份额付费（PPS）矿池litecoinpool.org捕获了已挖区块的数据集。我们在2018年6月14日捕获了最新的2016个区块数据，以评估所提出的矿工节点选择方法的性能。我们分析了发现者“Antpool”、“F2Pool”、“BW.com”、“litecoinpool.org”、“Hashing.com”、“LQoMbJnzRK…”、“LTC.top”和“ViaBTC”的SD、LT以及TL。我们安装了八个不同的矿工在我们的虚拟机节点上，根据从数据集捕获的分析数据，为所有不同的矿工节点设置SD、LT和TL的值。图5显示了采用和不采用所提出的矿工节点选择方法时，不同矿工节点挖出的区块数量的结果。由于传统方法缺乏对矿工节点的合理选择，导致耗电量增加，并使整个区块链趋向中心化系统。结果表明，所提出的算法在选择矿工节点方面的效率，能够解决计算资源浪费、去中心化逆过程以及达成共识所需时间等问题。

图6展示了每KB的区块大小的结果。为了检查所提出模型的工作量证明（PoW）难度的调整情况，我们还观察了在不同网络延迟下的PoW难度级别。随着难度级别的增加，由于网络延迟，交易可能变得难以验证，从而导致计算资源和处理时间的额外开销。图7展示了所提出模型在不同网络延迟下的PoW难度级别结果。结果表明，所提出模型通过在网络延迟情况下调整难度级别，有效维持了交易处理速度并缩短了出块时间。

IV. 实验分析与未来方向

A. 实验分析

为了验证所提出框架的可行性，我们使用以太坊平台对框架仿真原型进行了模拟。我们安装了Geth、Node.js、Phpstorm、MinGW和Truffle，以构建自己的私有网络。Geth是一种多功能命令行工具，可提供JSON-RPC服务器和交互式控制台，用于运行完整的以太坊节点；Truffle是一种开发环境，具备测试框架和资源管道，可用于以太坊的智能合约编译、链接和部署，并支持自动化合约测试。我们还安装了Mist浏览器，以提供用于浏览和使用去中心化应用的终端用户界面。为了模拟客户端的行为，我们使用了基于Node.js的以太坊客户端testrpc。为实现智能合约，我们采用了Solidity，这是一种高级的面向合约的语言。为了搭建所提出的框架仿真原型，我们使用了8台台式机，每台均配备Intel i7处理器和64 GB DDR3内存。

为了分析燃气费的使用情况以及完成交易所需时间与交易数量之间的关系，我们观察了完成一笔交易所需的燃气费数量和时间。图4展示了燃气费消耗量和时间随交易数量的变化情况。燃气费的价格是交易发起方愿意支付给矿工节点以验证该交易的费用。加快交易验证需要更高的气体单位，因此导致交易成本增加。结果表明，当燃气费消耗变化时，所提出的模型在完成交易所需时间方面的表现如何。展示交易成本的重要性在于所提出的模型。结果表明，随着气体单位的变化，所提出的模型随时间略有变化。

B. 未来研究方向

区块链是一项准备被汽车行业探索的技术。作为一种新兴技术，区块链因其颠覆各行业和研究领域的能力而将持续发展。区块链作为系统的分布式价值发挥作用，它高度依赖与利益相关者、供应商和竞争对手等的协作。为实现智慧城市的可持续物联网网络，区块链技术可产生积极影响。然而需要注意的是，仍存在多种研究方向，需在未来应对各种问题和挑战。

• 物联网平台的协同集成：汽车行业与智能家居、交通，医疗保健等领域需要创建一个单点登录平台，为了使未来的生活更轻松、高效和智能。
• 虚拟生态系统：需要为个人用户建立一个虚拟生态系统，以定制服务，并在用户、汽车制造商和科技行业之间实现权力平衡。
• 结构可适应性：智能合约的结构设计直接影响整个框架的适应性，这是许多行业所需的品质属性。
• 动态可扩展性：为了保持框架的性能和效率，框架应随着分布式账本或组织规模的增加而动态扩展。
• 标准化：目前，由于缺乏通用的标准，不同的组织正在开发自己的区块链和标准。在公共领域中，基于区块链的应用程序应在监管框架内运行。

V. 结论

在汽车行业，继承区块链技术的特性能够增加供应链各组织之间的信任，从而减少商业摩擦。通过共享分布式记账结构，可显著增强供应链生命周期中各参与方之间的通信与协作，实现显著的时间和成本节约，并使制造商和供应商能够保护其品牌免受假冒产品侵害。在本研究中，我们提出了一种基于区块链技术的适用于汽车行业的全生命周期阶段的分布式框架模型。我们详细阐述了所提出的框架模型的工作流程。我们使用实时采集的数据统计测试了所提出的矿工节点选择算法。实验结果表明了我们所提出方法的有效性以及构建可持续的汽车生态系统的可行性。

最后，我们讨论了将在未来工作中采取的未来研究方向。在未来工作中，我们将扩展所提出的模型以解决未来研究方向中指出的开放问题。